(57)【要約】  従来の人力駆動装置が実際の人力運動を充分生かして有効な駆動力として変換されていない点である。これは人体脚部の自然の動きに反して、入力方法がクランクペダル回転運動になっているからである。  車体若しくは機械構造体を構成するフレーム１に軸支された駆動軸７に連動したクランク部材９（前記駆動軸７とクランク部材遊支点軸１６との軸間距離をｒとする）と、フレーム１に一端を揺動部材固定支点軸１４によって前記フレーム１に軸支された揺動部材１０（前記揺動部材固定支点軸１４と揺動部材遊支点軸１５との軸間距離をｘとする）と、一端にペダル支点軸１２によって軸支されたペダル１３を設け、他端をクランク部材遊支点軸１６によって前記クランク部材９の端部に軸支され、両端部の間の一部を前記揺動部材遊支点軸１５によって前記揺動部材１０の他端に軸支された連結部材１１（前記クランク部材遊支点軸１６と前記揺動部材遊支点軸１５との軸間距離をｙとする）と、前記揺動部材固定支点軸１４から前記駆動軸７との間のフレーム部分を固定節（前記揺動部材固定支点軸１４と前記駆動軸７との軸間距離をｗとする）とした構成に於いて（ｒ＋ｘ）＜（ｙ＋ｗ）、（ｒ＋ｙ）＜（ｘ＋ｗ）、（ｒ＋ｗ）＜（ｘ＋ｙ）の条件を満たし、てこクランク機構を構成したことを特徴とする人力駆動装置を構成する。この装置によって人力が有効に駆動力に変換されることになり駆動効率の大幅な改善をすることができる。
2011162307.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人力を駆動源とした機械の駆動装置であって、
機械を構成するフレームに軸支された駆動軸に連結したクランク部材と、
一端を揺動部材固定支点軸によって該フレームに軸支された揺動部材と、
一端にペダル支点軸によって軸支されたペダルを設け、他端をクランク部材遊支点軸によって該クランク部材の端部に軸支され、その両端部の間の一部を揺動部材遊支点軸によって該揺動部材の他端に軸支された連結部材と、
該揺動部材固定支点軸から該駆動軸との間のフレーム部分を固定節とした構成であって、
（ａ）（ｒ＋ｘ）＜（ｙ＋ｗ）
（ｂ）（ｒ＋ｙ）＜（ｘ＋ｗ）
（ｃ）（ｒ＋ｗ）＜（ｘ＋ｙ）
ここで  ｒ＝該駆動軸とのクランク部材遊支点軸との軸間距離
ｘ＝該揺動部材固定支点軸と揺動部材遊支点軸との軸間距離
ｙ＝該クランク部材遊支点軸と該揺動部材遊支点軸との軸間距離
ｗ＝該揺動部材固定支点軸と該駆動軸との軸間距離
である、てこクランク機構を構成し、該ペダルへの人間の脚力により該駆動軸が回転駆動することを特徴とする人力駆動装置。
【請求項２】
電動アシスト自転車であって、電動アシスト自転車の駆動軸に第１項記載のクランク部材を連結させたことを特徴とする請求項１に記載の人力駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は人力駆動装置の効率化に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
人力駆動装置の中で自転車は人間の力をペダルに伝え駆動装置を介して車輪を回転させ移動する簡便且つエコロジカルな交通手段である。一方自転車のペダル回転駆動に於ける基本的な駆動装置は長い間変っていない。しかし、この駆動装置は原動力である人体脚部の動きを生かして回転運動に変換させる駆動装置として必ずしも効率的になっていない。  【０００３】
従来の自転車の片側のペダルを１回転した時の実際の踏力とその時の有効踏力の測定例を非特許文献１(Ｂｕｒｋｅ，Ｅ．Ｒの論文)から抜粋したものを図５に示す。実際の踏力Ｊはクランク角９０°以降も力を加え続け１２０°以降からゆっくり下がっているにも拘わらず有効な踏力Ｋは９０°以降下がり続け実際の踏力に対して有効な踏力は半分以下に落ちている。
このグラフから明らかなように従来から使われている自転車の駆動装置は、実際の踏力に対して有効に使われている踏力にはかなり乖離があり、改善の余地が充分あると考えられる。これは駆動装置としてクランクによる回転運動をそのまま駆動軸に繋げているだけの装置で入力手段は回転運動であり踏み足の垂直方向の動き（競輪選手は接線方向への力が増える）をそのまま回転駆動力としているだけである。【０００４】
このペダル駆動を効率的に行うため近年色々な提案がされている。例えば特許文献１では図６に示すように両側２個のスプロケットとチェーンに取り付けられたペダルとクランク機構等から構成される駆動装置を用いて駆動効率を改良したものが提案されている。これは図６において上下に設けられたスプロケットからなる回転体と支持体の対及びこれらの回転体と支持体に掛け渡されたチェーンを左右に配設し、左右の回転体１及び１００を駆動軸１５に固定し、さらに、負荷が作用するチェーンリング６を該駆動軸上回転体１と回転体１００の間に取付ける。
これらの回転体と支持体に掛け渡されたチェーンとで構
成される人力駆動装置ユニットを左右に配設し、左右の回転体１及び１００を駆動軸１５に固定し、さらに、負荷が作用する上記夫々のユニットにおいて、フリークランク（右ユニット：１０、左ユニット：１０００）が夫々のチェーンの移動面に対して常に垂直に保持されるように構成されている。ペダル軸に負荷された踏力は、チェーンリングを介してスプロケットからなる回転体に伝えられ、該回転体に固定された駆動軸の回転トルクにより、自転車の後輪が回動する。この構成により、人力の駆動トルクへの変換効率の増大を図ろうとしている。【０００５】
しかしながらこの提案では、スプロケット、回転軸、チェーンリング、フリークランク、アーム機構等多くの部品を必要とするため複雑な装置になり、その結果、重量アップ、コストアップ、取り付けスペースの制限、部品自身の摩擦損失による効率の低下等の問題が発生し、人力を駆動源とした簡便な装置としては却ってマイナス要因が増え、商品性・実用性に問題があった。【０００６】
また、特許文献２のようにペダリングの前後方向の動きを少なくする装置として図７に示すように左右のペダル２３Ｒの軌道Ｔに沿った動きに伴って左右のペダルレバー２２Ｒ（Ｌ）が前後方向にわずかに移動しながら上下方向に移動する。左右のペダルレバー２２Ｒ（Ｌ）の中間の連結部３５Ｒ（Ｌ）に回動自在に結合される左右のクランクアーム２４Ｒ（Ｌ）が出力軸２５を中心として３６０度回転運動して後輪が駆動される。左右のペダ
ルレバー２２Ｒ（Ｌ）の移動に伴って左右の支点リンク２１Ｒ（Ｌ）の他端部３２Ｒ（Ｌ）が左右のクランクアーム２４Ｒ（Ｌ）側に揺動する際、左右のクランクアーム２４Ｒ（Ｌ）の一端部３６の回転軌道Ｗの内側に左右の支点リンク２１Ｒ（Ｌ）の他端部３２Ｒ（Ｌ）が入り込むように左右の支点リンク２１Ｒ（Ｌ）を設けるように、配置された駆動入力装置でペダル駆動軌跡を従来の円形から扁平な楕円軌道になるため、前後方向の動きを少なくし疲労を低減させることを目的としている。しかしながら、この提案はクランク機構を用い機構としては簡便であるが、ペダルへの踏み込み移動軌跡の改良であり、以下で説明するように駆動トルクの効率向上にはなっていない。【０００７】
この提案の駆動装置に於ける力の平衡を図８のように模式図を使って説明する。ペダル２３Ｒがペダルレバー２２Ｒのクランクアーム２４Ｒ側に設置されている為、ペダル２３Ｒに矢印の方向入力Ｆを加えた時クランクアーム端部３６Ｒに働く合力Ｎは支点リンクの他端部３２Ｒを支点として同じ側に力が働く（第２種のてこの原理：栓抜きに代表される、てこの原理）。その為従来から使われている自転車のクランク機構と同じように、クランクアーム端部３６Ｒに働く力のベクトル方向がクランク角度によって大きく変る為、駆動軸への変換効率が大きく変化する。その結果全体としての効率は改善されない。以下クランク角度の違いによる駆動力を図８、図９、図１０の模式図を使って説明する。【０００８】
矢印の方向に踏力Ｆがペダル２３Ｒに加わった時のクランクアーム一端部３６Ｒに働く駆動力Ｔを図７に表示する。支点リンク２１Ｒは自由回転であるから、支点リンク他端部３２Ｒに働く抗力Ｒは支点リンク一端部３１Ｒに向かう方向のベクトルとなる。踏力Ｆと抗力Ｒの二つの力の作用線の交点Ｏとクランクアーム一端部３６Ｒを結んだ方向に前記二つの力の合力（Ｎ）を求めると、クランクアーム一端部３６Ｒに働く力Ｎとなる。この力のクランクアーム一端部３６Ｒの接線方向の分力が駆動力Ｔとなる。図７のクランク角度の時の駆動力Ｔは最も大きな値となっている。このクランク角度の前後９０度での駆動力Ｔを図７と同様に求めると図８、図９のようになる。合力Ｎはほぼ出力軸２５に向かっている為クランクアーム２４Ｒの接線方向となる駆動力Ｔは殆ど０になっている。このようにクランク角度１８０度の間駆動力は大きく変動している。この提案の駆動装置に於けるクランク角度と駆動力の関係を駆動効率として数値計算により算出し図１０に表す。駆動効率は駆動力を一定の踏力で割った値である。この提案の駆動装置による駆動効率も前述した図４の従来の自転車の有効踏力特性とほぼ同様にクランク角によって駆動効率が大きく変動しており人力を有効に生かした駆動装置になっていないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第２８２０７７号
【特許文献２】特許開平１１-２６３２７５
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】スポーツバイオメカニクス入門 金子  公宥 著
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明に於いて解決される課題は従来の人力駆動装置が実際の人体の運動機能を充分生かしきれずに有効な駆動力として変換されておらず、人力の入力方法が人体の脚部の往復運動に効率的に動力変換して、より楽に、かつ高速に自転車を駆動することのできる人力駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は
１）人力を駆動源とした機械の駆動装置であって、
機械を構成するフレームに軸支された駆動軸に連結したクランク部材と、
一端を揺動部材固定支点軸によって該フレームに軸支された揺動部材と、
一端にペダル支点軸によって軸支されたペダルを設け、他端をクランク部材遊支点軸によって該クランク部材の端部に軸支され、その両端部の間の一部を揺動部材遊支点軸によって該揺動部材の他端に軸支された連結部材と、
該揺動部材固定支点軸から該駆動軸との間のフレーム部分を固定節とした構成であって、
（ａ）（ｒ＋ｘ）＜（ｙ＋ｗ）
（ｂ）（ｒ＋ｙ）＜（ｘ＋ｗ）
（ｃ）（ｒ＋ｗ）＜（ｘ＋ｙ）
ここで  ｒ＝該駆動軸とのクランク部材遊支点軸との軸間距離
ｘ＝該揺動部材固定支点軸と揺動部材遊支点軸との軸間距離
ｙ＝該クランク部材遊支点軸と該揺動部材遊支点軸との軸間距離
ｗ＝該揺動部材固定支点軸と該駆動軸との軸間距離
である、てこクランク機構を構成し、該ペダルへの人間の脚力により該駆動軸が回転駆動することを特徴とする人力駆動装置。【００１３】
２）電動アシスト自転車であって、電動アシスト自転車の駆動軸に第１項記載のクランク部材を連結させたことを特徴とする  １）に記載の人力駆動装置。
である。【００１４】
本発明は、人体脚の運動をほぼ一方向の往復運動と捉え、往復運動を入力として効率良く回転運動に変換する駆動装置を提供するものである。
本発明の構成は、（図１２）連結部材上の支点に於いて、クランク部材遊支点軸１６とペダル支点軸１３の間に揺動部材遊支点軸１５を置くことにより、作用点（クランク部材端部１６）・支点（揺動部材端部１５）・力点（ペダル１３）の順序で配置した第１種のてこの原理（洋ハサミに代表されるてこの原理）を応用することになる。ペダル１３に下方に踏力を掛けると、揺動部材遊支点軸１５を支点として出力部（駆動軸遊支点軸１６）では踏力Ｆとは反転する方向に力が逆向きの力Ｔが働く。一方揺動部材遊支点軸１５は踏力によって揺動部材固定支点軸１４を中心にして揺動運動しようする動きを受けている。その結果、駆動軸遊支点軸１６は揺動部材遊支点軸１５によって揺動による運動と揺動部材遊支点軸を支点とした第１種のてこの反転の運動との両方の動きを受ける。【００１５】
この反転するベクトルを活用にすることにより、クランク角・駆動力特性及びペダル軌跡を画期的に変えることが可能となり人力の特性に合った効率の高い人力駆動機構を提供可能となった。
本案の駆動装置が構成している各部材の最適な長さの割合を調整することによって方向が異なる双方の力の割合を調整して効率的なペダル軌跡と踏力・駆動特性を見つけることが可能である。【００１６】
以下、本発明の力学的作用を模式図（図１２〜図１４）で説明する。【００１７】
本発明による装置に於いて一定の踏力Ｆが駆動軸・揺動部材固定支点軸延長線ｇに平行に作用した時の駆動力Ｔを前述の従来例と同様の方法で求める。クランク部材９が時計の針の９時を指す時のクランク部材の角度を０度とし、０°の時の駆動力Ｔを図１２に表す。又クランク角が９０度と１８０°の時の駆動力Ｔを同様の方法で求め図１３、図１４に表す。クランク角０度の時の駆動力と９０°と１８０°の時の駆動力は大体同じ程度の大きさの駆動力を示している。クランク角度による駆動力が片側のペダル半回転の範囲で駆動力の違いが少なくなっている。これは本発明が従来の駆動装置に対して効率の良い駆動装置となっていることを示している。【００１８】
ペダル支点軸と揺動部材遊支点軸との長さをｚとした時、ｘ＝２．５ｒ、ｙ＝２．5ｒ、ｗ＝２ｒ、ｚ＝２．５ｒの長さにしてレイアウトする。このレイアウトは円運動から近似直線に変換するチェビシェフの近似直線として知られているリンク機構を逆に用い、円弧運動から円運動への変換としたものである。このレイアウトの時、踏力負荷範囲ｄ及びその前後を含めペダル下降線は近似直線になっており、ペダル戻り曲線ｃも前後方向の幅が少なく無駄な動きのないペダル軌跡となっている。更にクランク角に対する駆動力特性も後述するように腰を中心にしてストレートに足裏でペダルを踏み出していくことにより均一に駆動力が得られる無駄のないペダリングを可能としている。【００１９】
上記構成におけるペダルの運動軌跡aと駆動効率＝駆動力／踏力を数値計算により求め其々図１５、図１６に示す。図１５はクランク部材９が駆動軸７を中心にして時計の９時の位置を０°として時計回りに１回転したときのペダル１３のペダル軌跡aと本駆動機構の主要部材の位置関係を模式的に示している。左右のクランク部材９は１８０°の位相差で駆動軸７に連動されている為左右のペダル位置は互いのクランク部材９が１８０°回転した位置に配置されている。例えば右のクランク部材が０度の位置にある時右のペダルＲ１３は軌跡の最上位から少し下のＲ１の位置にある。この時左のペダル位置は右のペダル位置Ｒ５と同じＬ１に示す位置にある。この位置から右のペダルに荷重を加えＲ５までペダル下降線ｂを直線的に荷重領域ｄの間押し下げていく。その時、左のペダルは連れまわってＬかＬ２迄少し下がってから弓なりにペダル戻り曲線ｃに沿って最上位まで跳ね上がってからペダル下降直線ｂをＬ５まで少し下がる。ペダル下降線ｂは駆動軸・揺動部材遊支点軸固定支点軸延長線ｇに平行である。以上のように、右のペダル１３にＲ１からＲ５まで踏力を加えた時クランク角度０°から１８０°まで回転する。続いて左のペダルに荷重を加えられ５Ｌから右ペダルと同様の繰り返しを行う。【００２０】
次に駆動効率（＝駆動力/踏力）を図１６で説明する。左右のペダルに交互に踏力を加えた時の駆動効率をＥ１の実線で表している。図１６でクランク部材が０°の時の右ペダル位置をＲ１として１８０°Ｒ５まで回転し、引き続き左ペダルをＬ５からＬ９まで踏力を加えた時の駆動効率を表している。点線は仮にペダルに踏力を加えた場合の駆動力を表しているが、駆動効率が低くなっており、左右のペダル踏力が重なっている。駆動効率が低いペダルは動きが重いので乗員は必然的に軽い駆動効率の高いペダルに変えていく。従って実際には１８０度毎に左右のペダルへの荷重を実線のように交互に荷重をかけていくことになり、E1の実線で示されるように台形状の安定した高い駆動効率曲線を発揮することが出来る。【００２１】
このようにＲ１からＲ５の領域を踏力負荷領域ｄとして交互に踏力を加え、駆動軸に絶え間なく駆動力を与えていくことが出来る。また踏力負荷領域ｄ及びその前後も合わせてペダル下降線ｂは近似直線となっており、股関節を中心としてストレートにペダルを踏み出していくことにより均一に駆動力が得られる無駄のないペダルへの足の動きを可能としている。従来の駆動機構のように回転運動を考えた前後方向の無駄な動きをする必要が全くなく人体の動きに合った効率的な駆動機構となる。またペダル戻り曲線ｃも僅かに弓なりの曲線で上昇するので、前後方向の無駄な動きは発生しない。【００２２】
一般の自転車駆動装置と前述の案の効率特性を比較すると明らかに本発明の駆動特性効率が大幅に改善されていることが分かる。上記レイアウトの構成比率は本発明の代表的な１つの例であり、人体脚部の最適動作と車両レイアウト・地面との干渉等の関連を考慮して最適駆動力/踏力特性及び最適ペダル軌跡（負荷荷重・戻り速度等）を実際に確認した上で本案部材の構成比率を求める。【００２３】
以下各部材の寸法比率の特性に及ぼす条件は以下のようである。前記揺動材固定支点軸と前記揺動部材遊支点軸との軸間距離をｘ、該クランク部材遊支点軸と該揺動部材遊支点軸との軸間距離をｙ、ペダル支点軸と揺動部材遊支点軸との軸間距離をｚとした時, ｗ＜（x、ｙ）＜５ｒ且つｘ≒ｙ≒ｚの場合駆動軌跡及び踏力・駆動変換は対称でバランスが取れた特性となる。５ｒ以上は相対的にクランク部材との連結材等の長さが長くなり（相対的にクランク部材が短くなる）強度上、周辺部品との干渉等を考慮したものであり積極的に排除するものではない。【００２４】
以下、好ましい例として幾つかの例をあげる。ｘ≒ｙ≒ｚとした時、ｗとｘ、ｙ、ｚが以下の値をとる時のペダル軌跡と駆動力変換率の特性を図１７、図１８に示す。
例えば
(I)     ｗ＝１.６ｒ    ｘ＝ｙ＝ｚ＝２．２ｒ
(II)    ｗ＝２.０ｒ    ｘ＝ｙ＝ｚ＝２．５ｒ
(III) ｗ＝３.０ｒ    ｘ＝ｙ＝ｚ＝３．４ｒ
(IV) ｗ＝２.０ｒ    ｘ＝ｚ＝２.５ｒ  ｙ＝２．７ｒ
(V)     ｗ＝２.０ｒ    ｘ＝ｚ＝２.５ｒ  ｙ＝２．３ｒ
（II）はペダル下降時は前述のチェビシェフの近似直線であるが、他の２例も同様の近似直線を示している。このように、ｘ≒ｙ≒ｚとした場合、ペダル踏みおろし軌跡を直線に近づけることが出来る。更に駆動力変換率もチェビシェフの近似直線（II）とほぼ同じように他の２例も似たような台形形状を成し、クランク角度による駆動力変換率も比較的変化の少ない駆動力変換特性とすることができる。（IV）はｙを若干大きくした時、ペダル軌跡は傾き、駆動特性も押し下げるに従って若干さがる傾向とした。(V) はｙを若干小さくした時、ペダル軌跡は傾き、駆動特性も押し下げるに従って若干上がる傾向とした。【００２５】
更に以上の基本特性を基にして、ｘとｙとｚの値を変えることにより、更に人間特性、車両仕様に合わせペダルの運動軌跡、駆動力変換率を変化させることが出来る。尚、車両仕様からの制約要件として、チェーンホイールと揺動支点軸との干渉、ペダルストローク、ペダル最下端位置、クランク長等車両仕様があり、それらに応じた最適寸法比を設定することが可能である。ｘ、ｙ、ｚは長すぎると左右のガタを発生し易い。剛性が必要。揺動部材固定支点軸、駆動軸のフレーム、チェーンホイールの干渉、ペダルの最低高さ、前輪との干渉等の制約条件を充分考慮して決める必要がある。尚、踏み込み入力だけでなく引き足入力も考慮した場合もｗ、ｘ、ｙ、ｚの適正割合が決められる。【００２６】
以下に連結部材のペダルへの長さｚを短くした例をあげる。上記レイアウト例に対してより実際の踏力は押し込んでいくに従い踏力が増える。その為上記構成の各部材の比率を変え最初はペダルから受ける感覚は始め軽く、徐々に重くして最後脚部を延ばす前に最大の力を出せるように駆動特性を設定した事例をレイアウト例２として説明する。図１６に駆動特性をＥ２の曲線でその特性を示している。踏力は足を伸ばし始めてから伸びきる少し前まで力は上がって行く。その為駆動変換率特性は‘へ’の字の形状となっている。図１９〜図２１図にクランク角度の違いによる駆動力とペダル軌跡を説明している。このように本発明に於いて各部材の構成比率を変えることにより、人間の身体特性にあった駆動特性、下降時のペダルの軌跡、戻り時ペダルの軌跡、変換点での軌跡等人間の感覚に合った軌跡形状を選択できる。【００２７】
本案による人力駆動装置では
駆動効率の改善：従来ペダリング１サイクルの中でペダルの踏み始めと踏みる前の付近では駆動力が殆ど出ていないという課題に関して、本案変換率は、往復運動の力を平準化された一定の割合で駆動トルクに変換可能とし、従来無駄にしていた部分を有効に駆動力に変換することができた。
また踏み込み量に応じて駆動変換特性を変えることが可能であり、更にきめ細かくストローク全体に渡って脚力を回転トルクに無駄なく変換することが出来るようになった。ペダルストロークに位置に関わらず一定の割合いで変換できる。【００２８】
ペダル軌跡の改善：ペダル軌跡を真っ直ぐにして、無駄な動きを無くした。従来の自転車駆動では回転運動を意識して円周方向にペダルを踏み込んでいく必要があったが、本案では、単純にほぼ直線で、一方向にペダルを押し下げるだけでそのまま回転トルクに変換できる、よりシンプルで無駄な筋肉運動を減少させ効率的なペダリングとすることが可能である。更に、ペダルの引き上げは前後移動が少なくほぼ弓型を描いて戻って行くので従来の円運動軌跡に比較し前後方向の無駄な動きが無くなる。
更にペダルへの踏み込み脚から引き脚に移行してもまっすぐに引き上げれば無駄な抵抗もなくまた引き上げ力も生かし易くなる。【００２９】
クランク角度の半周以上、踏力発生が発生する為、左右の踏力が重なる時、より大きな駆動力が発生することもあり又、駆動力は途切れることなく発生し、従来自転車のように急な登り坂でペダルの上死点・下死点で慣性によるスピードが落ちて倒れてしまうようなことは減少する。【００３０】
図４は電動アシスト自転車の駆動軸に本発明の駆動装置を連動させたものである。電動アシスト自転車フレーム２０の駆動軸７にはトルクセンサー２５が取り付けられておりペダル踏力を検出してコントローラ２３に送られる。同時に車速センサー２６の信号もコントローラ２４に送られ車速と駆動トルクに応じた電流をバッテリー２２から電動モ−タ−２１に供給される。合力装置２３は駆動軸７と電動モ−タ−２１に連動されておりペダル駆動力Pと電動モ−タ−駆動力Mを足し合わせる働きをする。ここまでは普通の電動アシスト自転車と同じである。【００３１】
この電動アシスト自転車の駆動軸７にクランク部材９が連動されている。また、揺動部材１０が一端を揺動部材固定支点軸１４によってフレーム２０に軸支されている。更に連結部材１１が一端にペダル１３を設け他端をクランク部材遊支点軸１６によってクランク部材９の端部に軸支され、両端部の間の一部を揺動部材遊支点軸１５によって揺動部材１0
の他端に軸支されている。レイアウトは本案のてこリンク機構を構成している。電動アシスト自転車の駆動軸に本案の駆動装置を連結することにより、効率の良い人力駆動と電気モータアシスト自転車を提供できる。【００３２】
電動アシスト自転車の駆動アシストシステムは図２６に示すように、ペダル踏力がクランク軸に伝えられクランク軸の歪量をトルクセンサー２５によって計測し、その値を駆動力としてコントローラ２４に伝えられその駆動力に応じ電動モ−タ−２１の駆動力Mとして合力機構２３に入力され、ペダル踏力との合力として駆動軸７に伝えられ本発明による効率的な電動アシスト自転車の走行が可能とされる。
従来の自転車に比較して電動アシスト自転車は人間の駆動トルクに応じてモ−タ−駆動のトルクを発生させている為本発明による電動アシスト自転車は、人間の駆動トルクが一定となる為電動モ−タ−のトルクも平準化されスムーズな走行でより長距離を走ることが出来る。【００３３】
自転車にモ−タ−と減速機構からなる電動補助動力装置を設けて、電動補助動力装置から動力を供給して楽な走行ができるようにした電動アシスト自転車は広く知られている。電動モ−タ−の出力はペダル踏力を検知しその量に応じて増減されている。ところが、図２７の（１）に示すように従来の自転車はクランク角が上死点下死点では駆動力が0となる為、
モータ駆動力も止まってしまい、速度が出ている時には慣性でその現象は緩和されているものの、息つき現象の状態を起こす等スムーズな走行が出来なくなる問題があった。図２７の（２）に示すように本案のフラットなトルクと特性をもつ駆動と電動補助動力装置を用いることにより、アシストトルクも一定となり、この問題を解決した電動アシスト自転車が提供可能となる。【００３４】
本部材の材料は軽量化と強度更にコスト等を考慮して自転車のクランク部材に良く使われているアルミ合金等を用いるのが好ましい。【００３５】
尚、後輪スプロケット６には従来の自転車と同様にラチェット機構（フリー）が組み込まれており、乗員がペダル１３を戻り曲線ｃ側に押し下げた場合、ラチェット機構により空回りするだけで従来の自転車と同様問題はない。【００３６】
図２８は揺動部材遊支点軸１４及び揺動部材１０を駆動軸７に対して上方にした場合である。フレーム構造によっては上方に取り付けても同様の機能を発揮することができる。これにより自転車の合理的なレイアウト設計をする上でより選択の自由度の幅を広げることができる。【００３７】
本駆動装置を後輪車軸に連動することが可能である。図２９は後輪車軸５にハブギア（車軸用変速機構）１８を介して本駆動機構を取り付けた実施例である。後輪車軸３にクランク部材９を連動させ、本案の駆動機構を左右に組み付ける。ペダル１３が車体１の後方に設置されペダル軌跡ａを傾斜させることのより、乗員の前傾姿勢と相まって車体の後方に設置されたペダル１３を後方に蹴り出すことが可能となり、人間の力をより効果的に発揮させることができる。チェーン、スプロケット等、前後伝達機構を省くことができるため、従来の駆動装置に対して高効率且つ伝達摩擦力の軽減、軽量化が可能となる。
【発明の効果】
【００３８】
従来無駄にしていたペダル踏み始めと踏む終わりの部分を有効に駆動力に変換することを可能にし、更に、円周方向へのペダルを踏み込みも、単純にほぼ直線で、一方向にペダルを押し下げるだけでよく、ペダリング軌跡も前後移動が少なくほぼ弓型を描いて戻って行くのでまた無駄な筋力を省くことができ、疲労がへり、また素人でもベテラン並みのスピードを出せるようになる。同じ力でも早い速度を出すことが出来る。【００３９】
従来の自転車ではクランク角９０度付近で最も力を掛けるが、同じスピードを出すのに本発明の装置では全ストロークに渡って一様小さな踏力で済むことになる。又同じ踏力ならば、より早い速度を出すことが出来る。上り坂では、止まって倒れることが少なくなり登坂性能は向上する効果を有する。【００４０】
電動アシスト自転車の場合には人力での走行能力が向上する為、トータルとして走行距離を伸ばすことが可能となり同時に、登坂能力も向上した電動アシスト自転車を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図３及び図２２〜２５図に基づいて説明する。図１、図２、図３において、車体１の進行方向前方にある前輪車軸４を中心に回転する前輪２と、車体１の後方に配置された後輪車軸５を中心に回転する後輪３を備え、後輪車軸５と一方向に一体的に回転する後輪スプロケット６と駆動軸７に連動された駆動スプロケットホイール８とに巻き掛けられたチェーン１７によって駆動軸７の駆動力が後輪３に伝えられる構造をもつ自転車において、左右のクランク部材９Ｒ、９Ｌがフレーム１に軸支された駆動軸７に１８０°ずれた角度をもって取り付けられている。
【００４２】
また、左右の揺動部材１０Ｒ、１０Ｌが各々の一端を左右の揺動部材固定支点軸１４Ｒ、１４Ｌによってフレーム１に軸支されている。更に左右の連結部材１１Ｒ、１１Ｌが各々の一端に左右のペダル１３Ｒ、１３Ｌを設け他端を各クランク部材遊支点軸１６Ｒ、１６Ｌによって各クランク部材９Ｒ、９Ｌの端部に軸支され、両端部の間の一部を左右の揺動部材遊支点軸１５Ｒ、１５Ｌによって各揺動部材１０Ｒ、１０Ｌの他端に軸支されている。
【００４３】
ここで駆動軸７とクランク部材遊支点軸１６Ｒ、１６Ｌとの軸間長さをｒ、揺動部材固定支点軸１４Ｒ、１４Ｌと揺動部材遊支点軸１５Ｒ、１５Ｌとの軸間長さをｘクランク部材遊支点軸１６Ｒ、１６Ｌと揺動部材遊支点軸１５Ｒ、１５Ｌとの軸間長さをｙ揺動部材固定支点軸１４Ｒ、１４Ｌと駆動軸７との軸間長さをｗとした時（ｒ＋ｘ）＜（ｙ＋ｗ）、（ｒ＋ｙ）＜（ｘ＋ｗ）、（ｒ＋ｗ）＜（ｘ＋ｙ）の条件を満たしており、てこクランク機構を構成する。
【００４４】
尚左右の揺動部材固定支点軸１４Ｒ、１４Ｌは同軸位置に各独立回転自由に構成されている。動部材固定支点軸１４を通る駆動軸・揺動部材固定支点軸延長線ｇと駆動軸を通る垂直線ｆとの角度αとした時、ペダル下降線ｂは垂直線に対してαの角度を成す。尚左右の揺動部材固定支点軸１４Ｒ、１４Ｌは左右独立で、同軸線上にない場合も駆動機構として成立するが、左右のペダル軌跡は前記の角度αが異なる。同軸線上が自然である。
【００４５】
揺動部材固定支点軸１４Ｒ、Ｌは駆動軸７と同様にフレーム１に軸方向に２連のベアリングにてしっかりと垂直に軸支されている。また連結部材１１Ｒ、１１Ｌは端部をクランク部材遊支点軸１６Ｒ、１６Ｌで軸方向に２連のベアリングにてしっかりと垂直に軸支されている。連結部材１１Ｒ、１１Ｌは更に揺動部材１０Ｒ、１０Ｌの端部で軸方向に２連のベアリングにてしっかりと垂直に軸支されている。連結部材１１Ｒ、１１Ｌの他端部にペダル１３Ｒ、１３がＬ２連のベアリングにてしっかりと垂直に軸支されている。ペダルに対する軸方向の剛性を保持する。軸方向の強度を充分に確保してペダルに踏力を掛けた時の剛性を充分確保し駆動軸に無駄なく力を伝える構造とすることは勿論である。
【００４６】
以下、作動過程を図２２から図２５で説明する。図２２は図１５の本発明のペダル軌跡説明図の右のペダル１３ＲはＲ１、左のペダル１３ＬはＬ１の状態である。これから右のペダル１３Ｒを押し下げていくと、クランク部材９は時計回りに回転していく、揺動部材１０は連結部材１１につれ回り時計方向に揺動する。ペダル１３は駆動軸・揺動部材遊支点軸延長線ｇ線に平行にほぼ直線の軌跡をなしてペダル下降直線ｂに沿って下降する。従って、ペダル下降直線ｂが人体にとって最適に傾斜になるように駆動軸・揺動部材遊支点軸延長線ｇ線のフレーム上のレイアウトを可変もしくは予め設定しておくことが出来る。
【００４７】
次に図２３は図１５の本発明のペダル軌跡説明図の右のペダル１３ＲがＲ３、左ペダル１３ＬがＬ３の状態である。右のペダル１３Ｒは、ペダル下降直線ｂの中間点の位置まで下降する。
【００４８】
更に図２４は図１５の本発明のペダル軌跡説明図の右のペダル１３ＲがＲ５、左のペダル１３ＬがＬ５の状態である。ペダル１３Ｒは、ペダル下降直線ｂの最下点少し上の位置まで下降する。この位置で右足のペダル１３Ｒは図１８に示すように駆動変換率が下がり始めるので負荷が大きくなるのを感じ、右足のペダル１３に荷重を掛けるのを止め交代に左足に荷重を掛け始める。その時左のペダル１３Ｌは図２１のようにペダル下降直線ｂの最上位から直ぐ下にある。駆動は左足に移り、右足ペダルは同じ駆動軸にある為ペダル下降直線ｂの最下点まで下げられペダル戻り曲線ｃに沿って上昇する。
【００４９】
図２５は本発明のペダル軌跡説明図のＲ７の状態である。右足ペダル１３Ｒはペダル戻り曲線ｃの沿って弓型の軌跡を描いて跳ね上がっていく。揺動部材１０は反転し反時計回りに揺動する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施形態を示す駆動装置側面図
【図２】本発明の実施形態を示す駆動装置平面図
【図３】本発明の実施形態を示す自転車図
【図４】本発明の実施形態を示す電動アシスト自転車図
【図５】従来の自転車のペダル１回転中の踏力
【図６】従来案のチェーンとスプロケットにペダル踏力を伝える駆動装置を示す図
【図７】従来案の揺動支点を有する駆動機構を示す図
【図８】従来案のクランク角度１００°の時の駆動力
【図９】従来案のクランク角度１０°の時の駆動力
【図１０】従来案のクランク角度１９０°の時の駆動力
【図１１】従来案の駆動効率図
【図１２】本発明のクランク角度０°の時の駆動力
【図１３】本発明のクランク角度９０°の時の駆動力
【図１４】本発明のクランク角度１８０°の時の駆動力
【図１５】本発明のペダル軌跡説明図
【図１６】本発明の駆動効率
【図１７】ペダル軌跡例
【図１８】駆動特性例
【図１９】本発明のレイアウト例２のクランク角度０°の時の駆動力
【図２０】本発明のレイアウト例２のクランク角度９０°の時の駆動力
【図２１】本発明のレイアウト例２のクランク角度１８０°の時の駆動力
【図２２】実施形態としての作動説明図０°
【図２３】実施形態としての作動説明図９０°
【図２４】実施形態のとして作動説明図１８０°
【図２５】実施形態としての作動説明図２７０°
【図２６】電動アシスト自転車への作動説明図
【図２７】電動アシスト自転車の駆動トルク変動図
【図２８】実施形態のとしての説明図
【図２９】実施形態のとしての説明図
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は自転車等の人力の往復運動を回転運動に変換する駆動変換機構のみならず、波動発電、潮流発電等の自然エネルギー発電等の往復運動エネルギーを回転運動への変換駆動変換装置にも適応可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１：フレーム
２：前輪
３：後輪
４：前輪車軸
５：後輪車軸
６：後輪スプロケット
７：駆動軸
８：駆動スプロケットホイール
９：クランク部材
９Ｒ：右クランク部材
９Ｌ：左クランク部材
１０：揺動部材
１０Ｒ：右揺動部材
１０Ｌ：左揺動部材
１１：連結部材
１１Ｒ：右連結部材
１１Ｌ：左連結部材
１１ａ：連結部材連結部
１１ｂ：連結部材ペダル部
１２：ペダル支点軸
１２Ｒ：右ペダル支点軸
１２Ｌ：ペダル支点軸
１３：ペダル
１３Ｒ：右ペダル
１３Ｌ：左ペダル
１４：揺動部材固定支点軸
１４Ｒ：右揺動部材固定支点軸
１４Ｌ：左揺動部材固定支点軸
１５：揺動部材遊支点軸
１５Ｒ：右揺動部材遊支点軸
１５Ｌ：左揺動部材遊支点軸
１６：クランク部材遊支点軸
１６Ｒ：右クランク部材遊支点軸
１６Ｌ：左クランク部材遊支点軸
１７： チェーン
１８：ハブギア（車軸用変速機）
１９：駆動軸ベアリング 
２０：電動アシスト自転車フレーム
２１：電動モ−タ−
２２：バッテリー
２３：合力装置
２４：コントローラ 
２５：トルクセンサー
２６：車速センサー
Ｏ：力の作用線の交点
Ｆ：踏力
Ｎ：合力
Ｔ：駆動力
Ｒ：抗力
（Ｆ）：力の作用線上Ｏ点における踏力Ｆと同等の力
（Ｎ）：力の作用線上Ｏ点における合力Ｎと同等の力
（Ｒ）：力の作用線上Ｏ点における抗力Ｒと同等の力
Ｊ：実際の踏力
Ｋ：有効な踏力
Ｅ１：レイアウト例１
Ｅ２：レイアウト例２
ａ：ペダル軌跡
ｂ：ペダル下降線
ｃ：ペダル戻り曲線
ｄ：荷重領域
ｅ：駆動軸を通る垂直線
ｆ： ペダル支点軸を通る垂直線
ｇ： 駆動軸・揺動部材固定支点軸延長線
ｉ：踏力作用線
ｊ：揺動部材遊支点軸抗力作用線
ｋ：クランク部材抗力作用線
ｒ：駆動軸中心からクランク部材遊支点軸中心の長さ
ｗ：駆動軸中心から揺動部材固定支点軸中心の長さ
ｘ：揺動部材固定支点軸中心から揺動部材遊支点軸中心の長さ
ｙ：クランク部材遊支点軸中心から揺動部材遊支点軸中心の長さ
ｚ：揺動部材遊支点軸中心からペダル支点軸中心の長さ
α：ペダル運動軌跡角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【国際調査報告】
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